9.5 Металдық уранды уран тетрафторидінен өндіру

UF₄-нен уранның металлтермиялық тотықсыздануы келесі теңдеумен жазылады:

UF₄+2CaU+2CaF₂, ΔН₂₉₈=-138ккал;

UF₄+2MgU+2MgF₃, ΔН₂₉₈=-89ккал;

Реакцияда Гибсс энергиясының өзгеруі:

UF₄+2Ca2CaF₂+U 1500 К кезінде

ΔG°_l500=2ΔG°_CaF2 - ΔG⁰_UF4 =-114000 кал/г-моль.

Магниймен жүретін реакцияға қатысты ΔG°₁₅₀₀= -67000 кал/г-моль аламыз.

ΔG°_T біле отырып, екі реакцияның тепе-тендік константасын есептеуге болады. ΔG°₁₅₀₀=-RTInK. Кальциймен жүретін реакция үшін, K=exp(-ΔG⁰₁₅₀₀/RT)=6·l0¹⁵. Яғни, бұдан константа мәнінің өте жоғары екендігін және металдық кальциймен, уран тетрафторидінің тотықсыздану реакциясының іс жүзінде қайтымсыз екендігін көреміз.

Магниймен жүргізілетін реакция үшін К=6·10⁹, бұл да жоғары мән.

Жүйеде адиабаттық үрдіс кезінде аса жоғары температуралардың пайда болуын термодинамикалық есептеулер көрсетеді. Бөлініп шығатын жылу (350 ккал/кг шихтадан) реакцияның барлық өнімдерінің балқымасы үшін ғана жеткілікті емес, сонымен катар шихтаны алдын-ала қыздыру температурасын (~300°С) көтеру үшін де жеткілікті.

9.5-кесте.Уран тетрафторидінің металтермиялық тотықсыздану реакциясының температурасы, С°

Тотықсыздандырғыш мөлшері	Шихтаны aлдын-ала қыздыру температурасы, °С	Реакцияның теориялық температурасы, °С
		Кальцийтермия	Магнийтермия
Стехиометриялық	300	2230	650
	900	2830	1700
15%-дық артық	300	2000	1230
	900	2650	1600

Бұл температураларды (9.6-кесте) компоненттердің балқу және кайнау температураларымен салыстыру өте қызықты.

Кальцийді салқын тұтандырғышта қолдану кезінде, реакцияның барлық өнімдері балкиды. Уран және MgF₂ сұйық күйде болуы үшін, магнийтермиялық түтандырғышқа 600⁰С толығымен жеткілікті.

Кальцийтермияны ашық ыдыста жүзеге асырады, бірақ магнийтермия ауа өткізбейтін жабдықты қажет етеді, өйткені тотықсыздандыру шарттарындағы магний буларының қысымы жоғары және онық біршама мөлшері буланып кетуі мүмкін.

9.6-кесте. Компоненттердің қайнау жәие балқу температуралары

Компо­нент	Балқу температурасы, °С	Қайнау температурасы,°С
U	1132	2260
UF4	960	2500
Са	849	1107
Mg	651	1487
CaF2	1418	-
MgF2	1263	3818

Тотықсыздану реакциясы шикізат пен кұрсаулаушы заттың құрамында ылғалдың болуына, сонымен қатар аз мөлшерде қоспалардың болуына байланысты күрделі шарттарда өтеді.

Шихтада ылғалдың болуы жөне сонымен бірге әртүрлі жарылыс реакцияларын туғызатын натрийдің, калийдің, аммонийдің болуы өте кауіпті. Және де шихтада SO₂, SiF₄, Al, Ni болмағаны тиімді, өйткені ол құрылыстың зақымдануына, кұйманың кеуектенуіне әкеліп соғады.

Уран тетрафторидінің құрамында UО₂ және UО₂Ғ₂-нің аз бол­ғаны дұрыс, UҒ₄-мөлшері ≥97 болу керек. Әсіресе магнийтермия кезінде үйінді салмағы 3,5 г/см³ шамасында болу керек, бұл көлемнің бір бірлігіне көп мөлшерде жылу бөлінуін және үлкен жылу өткізгіштікті қамтамасыз етеді.